[發(fā)明專利]一種微重力流動沸騰臨界熱流密度的地面模擬實驗裝置及方法

有效

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• 申請日: 2019-07-01
• 公開（公告）號: CN110320230B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發(fā)明（設計）人: 魏進家;劉斌;張永海;袁博
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N25/12
• 分類號: G01N25/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李紅霖

本發(fā)明公開了一種微重力流動沸騰臨界熱流密度的地面模擬實驗裝置及方法，包括測試管，流量調(diào)節(jié)閥，流量計，泵，冷凝器，預熱器，緩沖罐，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，穩(wěn)壓裝置，溫度控制器，加熱面，電源和溫度采集器。模擬實驗方法為微重力條件下流動沸騰傳熱臨界熱流密度可以通過用常重力條件下對應實驗條件下θ＝315°與θ＝135°時測得臨界熱流密度區(qū)間內(nèi)來代替。本發(fā)明的微重力流動沸騰臨界熱流密度的地面模擬實驗裝置及方法與直接進行微重力實驗和傳統(tǒng)的地面模擬方法相比，裝置結(jié)構(gòu)十分簡單，操作十分便捷，經(jīng)濟性好，可以滿足不同實驗工況的實驗測試；且可以精確、方便且經(jīng)濟地在地面上模擬微重力條件下的臨界熱流密度，應用范圍相比于傳統(tǒng)的模擬方法得到明顯拓展。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于微電子器件散熱及微重力條件下熱管理技術(shù)領域，具體涉及一種微重力流動沸騰臨界熱流密度的地面模擬實驗裝置及方法。

背景技術(shù)

臨界熱流密度是流動沸騰換熱性能的關鍵參數(shù)。微重力條件下由于浮力的缺失，流動沸騰高熱流密度區(qū)會出現(xiàn)一定程度的惡化，臨界熱流密度也隨之降低。因此獲取微重力條件下的流動沸騰臨界熱流密度的變化規(guī)律，對于指導微重力條件下電子器件散熱和熱管理系統(tǒng)的設計和運行具有十分重大的意義。然而，由于微重力流動沸騰臨界熱流密度實驗設備和條件的復雜性和以及獲得微重力條件的困難性，決定了微重力流動沸騰實驗難以實施并且十分昂貴的。因此，通過在地面上進行的模擬實驗測試，獲得微重力流動沸騰的臨界熱流密度的近似值是非常方便和經(jīng)濟的方法。

目前精確、簡單且可行的地面模擬實驗方法尚未有報導。傳統(tǒng)的地面模擬實驗方法中，呂成道等人提出過一種微重力流動沸騰地面模擬實驗的等價準則：地面實驗時當加熱面豎直向下布置所獲得的流動沸騰換熱性能與對應條件下豎直向上布置時所獲流動沸騰換熱性能一致時，此時的流動沸騰換熱性能等價于對應微重力條件下?lián)Q熱性能。但是這種等價準則所需要達到的臨界實驗條件過于苛刻，特別是臨界流速很高，導致了所獲得的流動沸騰模擬實驗數(shù)據(jù)偏離了應用范圍(通常流速不能高于2m/s)，導致其模擬實驗方法不具備實用性。此外雖然有學者提出了不同流動沸騰中慣性力占主導，即常、微重力條件下臨界熱流密度近似相等的臨界流速判據(jù)，但是這種方法只能用于在地面模擬高于臨界流速條件下的微重力流動沸騰(如普渡大學Zhang等熱提出的臨界流速大于1.5m/s)，而低于臨界流速的流動沸騰無法模擬，因此適用范圍也十分有限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種微重力流動沸騰臨界熱流密度的地面模擬實驗裝置及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。本發(fā)明可以很方便地在地面上模擬微重力條件下的臨界熱流密度，找出微重力條件下的流動沸騰臨界熱流密度的精確區(qū)間，且應用范圍相比于傳統(tǒng)的模擬方法廣泛的多。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種微重力流動沸騰臨界熱流密度的地面模擬實驗裝置，包括測試管，測試管與水平面之間的夾角為0-360°可調(diào)，測試管的入口端通過流量調(diào)節(jié)閥連接至流量計，流量計的入口端連接至泵，泵的入口端連接至冷凝器，冷凝器的入口端連接至預熱器，預熱器的入口端連接至用于存儲流體介質(zhì)的緩沖罐，緩沖罐的入口端連接至測試管的出口端，泵上連接有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，緩沖罐上連接有穩(wěn)壓裝置；測試管的內(nèi)壁設置有用于測量流體介質(zhì)溫度的第一溫度傳感器，第一溫度傳感器連接至溫度控制器，溫度控制器的輸出端連接至冷凝器，測試管的內(nèi)壁還設置有與測試管內(nèi)壁貼合的加熱面，加熱面通過能夠連續(xù)調(diào)節(jié)輸出功率的電源供電，第一溫度傳感器的測點位于加熱面的上游，加熱面上設置有用于測量加熱面溫度的第二溫度傳感器，第二溫度傳感器連接至溫度采集器。

進一步地，測試管的橫截面為矩形或圓形。

進一步地，電源為直流電源或交流電源。

進一步地，測試管與水平面之間的夾角為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°或360°。

一種微重力流動沸騰臨界熱流密度的地面模擬實驗方法，采用如上所述的一種微重力流動沸騰臨界熱流密度的地面模擬實驗裝置，包括以下步驟：